Tulevaisuuden sähkön hallitseminen: Kiinteän aineen muuntimen teknologian strateginen kehitys Yhdysvalloissa

DG Matrix ja Resilient Power väittävät, että niiden kiinteän aseman muuntajat voivat vähentää dataviestintakeskusten, sähköautojen (EV) latauspisteiden ja niin edelleen sähköntarjoamisen kustannuksia, aikaa ja monimutkaisuutta. Vuosikymmenien ajan elektroniikan insinöörit ovat uneksinneet laitteesta, joka pystyy yhtenäisesti yhdistämään aurinkopaneeleja, akkuja ja paikallisia generaattoreita suuriin sähkövarusteisiin, kuten EV-latausasemille tai tietokeskuksen palvelimille ilman, että tarvitaan paljon kalliita komponentteja saadakseen ne toimimaan yhdessä.

Nyt nämä laitteet, jotka kutsutaan kiinteän aseman muuntajiksi, alkavat itse asiassa päästä markkinoille – ja niiden esiintyminen ei voisi olla ajallisesti parempi.

Tämä johtuu siitä, että teknologia voisi olla avain ratkaisemaan dataviestintakeskusten, tehtaiden ja EV-latauspisteiden valtavia sähköntarpeita, jotka voisivat ylittää sähköverkon kapasiteetin ja aiheuttaa sähköyhtiöiden polttamaan enemmän fossiilista polttoainetta, mikä edistää ilmaston lämpenemistä.

Nykyisin näiden suurten sähkön käyttäjien vaatimus sähköstä ylittää Yhdysvaltain sähköverkon tarjoamisen kapasiteetin. Teoriassa tämä ongelma voitaisiin ratkaista sallimalla heidän asentaa omia aurinkopaneeleja, akkuja ja generaattoreita paikan päälle – parhaiten mikroverkkoina – mutta tämä näennäisesti yksinkertainen ratkaisu on itse asiassa erittäin monimutkainen ja kalliina toteuttaa.

Jokaiselle aurinkopaneeleille, akulle, polttoaineelle, generaattorille tai muulle paikan päällä sijaitsevalle sähkölähteelle tarvitaan useita laitteita – sähköiset suojauslaitteet, eristysmuuntajat, jännitteen nosto- ja laskumuuntajat, sähkönsiirtoluukut – jotta voidaan turvallisesti muuntaa suora virta (DC) vaihtelevaksi virtana (AC) tai päinvastoin, ja nostaa tai laskea jännitettä vastaamaan eri kuormien tarpeita rakennuksessa.

Kiinteän aseman muuntajat voivat saavuttaa kaikki nämä toiminnot vain yhdellä laitteella, hallinnoimalla sähköä yhtä joustavasti kuin routeri hallitsee tiedonsiirtoa. Tämä on erityisen arvokasta korkean sähköntarpeen laitteiden, kuten EV-latausasemien, tai erittäin sähkölaadun herkkiä laitteita, kuten tietokeskuksen palvelimiraakkeiden, hallinnassa.

Siten sanoo Haroon Inam, DG Matrixin toimitusjohtaja ja yksi perustajista. DG Matrix on harvoista yrityksistä, jotka ovat aloittaneet kiinteän aseman muuntajien käytön käytännössä. Hän sanoi, että DG Matrix keräsi 20 miljoonaa dollaria maaliskuussa tänä vuonna ja on tällä hetkellä rakentamassa tehdasta Pohjois-Carolinassa, joka odotetaan aloittavan toimintansa myöhemmin tänä vuonna tuotantokapasiteetilla 1 000 yksikköä. "Me astumme valtavaan ja alipalveluiseen kauppa- ja teollisuuden mikroverkkomarkkinoille," hän sanoi. "Ihmiset eivät ole tehneet tätä, koska yhden, mukautetun mikroverkon rakentamisen kustannukset ovat olleet liian korkeat."

DG Matrix ei ole ainoa yritys, joka työskentelee tämän parissa. Heron Power, ex-Teslan työntekijä Drew Baglinon perustama start-up, on kerännyt 43 miljoonaa dollaria ja tavoittelee ensimmäisten kiinteän aseman muuntajien rakentamista vuoteen 2027 mennessä. Amperesand keräsi 12,5 miljoonaa dollaria viime vuonna jatkamaan kiinteän aseman muuntajien kehitystyötä, joita testataan Singapurin sähköverkossa.

Suuret sähköalan yritykset ovat kiinnostuneet tähän. Sähkövarusteiden giganti Eaton sopii viime kuussa ostamaan Resilient Power Systemsin, joka keräsi 5 miljoonaa dollaria vuonna 2021 rakentaakseen ja käyttöönottamaan sähkönsiirtolaitteita EV-latauspisteille ja muihin korkean sähköntarpeen ympäristöihin. Eaton investoi 55 miljoonaa dollaria yritykseen sopimuksen sulkemisen yhteydessä; riippuen Resilient Powern taloudellisesta ja teknisestä suorituksesta seuraavien vuosien aikana, Eaton voi myös maksaa lisää 95 miljoonaa dollaria.

"Monta ihmistä on työskennellyt tällä teknologialla yli kymmenen vuotta," sanoi Aidan Graham, Eatonin Critical Power Solutions -yrityksen seniorena vice presidenttinä ja yleishallitsijana. Nyt, kun useissa avainteknologioissa on tapahtunut edistystä, tämä teknologia saattaa vihdoin elää kultakauttaan – sähköyhtiöt ja muut instituutiot ovat aloittaneet sen testaamisen.

Kiinteän aseman muuntajien kehitys

Eaton on tutkinut kiinteän aseman muuntajien tutkimusta ja kehitystä useita vuosia. Yritys ei ole vielä paljastanut, miten aikoo skaalata Resilient Powern teknologian valmistusta ja käyttöönottoa. Mutta Graham sanoi: "Me tutkimme useita alueita, mukaan lukien EV-lataus ja akkujen integrointi tietokeskuksiin ja muihin kriittisiin ympäristöihin. 'Virtauksen häiriö jopa hetken ajan voi uhata ihmishenkiä ja kustannaa paljon rahaa.'"

Michael Wood III, DG Matrixin pääsihteeri, sanoi, että yritys testaa laitteitaan yritysten, kuten sähkövarusteiden valmistajan ABB:n, Pohjois-Carolinan sähköyhtiö Duke Energy:n ja Southern Co:n omistaman suuren mikroverkkoihin ja tietokeskuksiin specialisoituneen PowerSecuren kanssa.

"Paras tapa saada seuraava gigawatti energiaa on rakentaa hajautettuja järjestelmiä," Wood sanoi. "Nykyään sinulla pitää olla kaikki nämä laitteet, jotta projektisi toimivat sujuvasti. DG Matrix poistaa tasapainon kaikissa näissä järjestelmissä ja yksinkertaistaa sen yhdeksi järjestelmäksi."

Inam sanoi, että DG Matrixin kiinteän aseman muuntajan käyttökustannukset ovat vain puolet niistä, joita tyypillisten paikan päällä olevien mikroverkkokomponenttien yhdistämiseen useiden teknisten standardien kombinaation avulla. Lisäksi se helpottaa laitteiden nopeaa sekoittamista ja vaihtamista tai tietokeskuksien, EV-latauspisteiden ja muiden mahdollisten mikroverkkosijaintien järjestelmäkonfiguraation muuttamista.

Jos kiinteän aseman muuntajat ovat niin hyödyllinen teknologia, miksi ne tulevat vasta nyt?

On hyvä syy, miksi se on kestänyt niin kauan, sanoi Vlatko Vlatkovic, Clean Energy Venturesin kumppani, DG Matrixin sijoittaja ja General Electricin teollisen sähköntekniikan liiketoiminnan vanhatupa, joka liittyi startupin hallintoneuvostoon tänä vuonna.

Sähköverkko on pitkälti riippuvainen elektromekaanisista laitteista, jotka toimivat suhteellisen yksinkertaisesti ja ovat muuttuneet vähän viimeisen vuosisadan aikana. Vaikka on tapahtunut jonkin verran edistystä viime vuosina, joka on mahdollistanut laitteiden, kuten aurinkoinvertereiden tai EV-ajosysteemien, käytön, nykyaikaista laskentaa mahdollistavat piisamat eivät ole levinneet laajasti sähköverkkoon.

"Painostaa alan käyttämään enemmän sähkötekniikkaa on ollut valtava haaste," Vlatkovic sanoi, erityisesti korkeammilla verkon jännitteillä. Viime aikoihin asti "teknologia ei ollut riittävän suuri tai luotettava. Oli teknisiä ongelmia."

Samankaltaisia haasteita on koeteltu kiinteän aseman muuntajien korkean jännitteen teollisuudessa, sanoi Neal Dikeman, Energy Transition Venturesin kumppani, joka on sijoittanut Resilient Powereen. Hän sanoi, että silisiumkarbidi-piisamiin ja sähköntehon muunnoksen tehokkuuden tarvitsemien laskentatekijöiden jatkuva kehitys on auttanut. "Mutta se ei ole helppoa."

Inam, joka toimi Smart Wiresin sähköverkon ohjausratkaisujen CTO:na ennen kuin liittyi DG Matrixiin vuonna 2023, huomautti, että startupin oli ratkaistava useita avainhaasteita päästäkseen tähän pisteeseen.

Ensiksi, korkeilla jännitteillä AC-DC-muunnoksen tuottama lämpö on vaikea levittää. Käsitteleminen "elektromagneettista melua", tai häiriötä, jota samaa korkeaa taajuutta toistuvat sähköiset kytkentät aiheuttavat. "Jos et tiedä, miten vähentää melua tehokkaasti, se vaikuttaa kaikkiin. Se voi aiheuttaa ylikuumenemista, räjähdyksiä ja suorituskyvyn heikkenemistä," Inam sanoi.

Kuitenkin näiden haasteiden ratkaiseminen tuo myös palkintoja. "Teknologia on nyt tarpeeksi kypsää ja tarkkaa, että voimme lanseeraa luotettavia laitteita," Vlatkovic sanoi.

Miksi nyt on aika kiinteälle aseman muuntajalle

Ajankohta ei voisi olla parempi.

"Kaikki on sähköistyvän, autoista teollisuuteen ja asuntoihin," Vlatkovic sanoi. "Jos katsot ennusteita sähköverkon tarvitsemaa energiaa seuraavien 10-20 vuoden aikana, näet, että meidän on ainakin kaksinkertaistettava sähköverkon kapasiteetti. Jotkut ennusteet sanovat jopa, että meidän on kolminkertaistettava nykyinen kapasiteetti."

Inam sanoi, että dataviestintakeskusten sähköntarpeiden tyydyttäminen on erityisen iso mahdollisuus.

Teknologiagigantien kunnianhimoiset tekoälysuunnitelmat asettavat valtavan taakan sähköverkolle, erityisesti dataviestintakeskusten keskuksissa, kuten Virginian, Georgian ja Texassin. Tämä on saanut dataviestintakeskusten kehittäjiä tutkimaan tapoja vähentää painetta sähköverkolle, mukaan lukien generatoorien ja akkujen rakentaminen lähelle tai paikan päälle.

"Kolme suurinta ongelmaa ovat sähköntarjoamisen nopeus (asiakkaat eivät saa sähköä riittävän nopeasti), sähkön hinta ja monien resurssien yhdistämiskyky joustavuuden varmistamiseksi," Inam sanoi. "Olemme puhuneet yritysasiakkaille, joilla on satoja tai tuhansia sijainteja. Heidän suurin haasteena on, että heidän on suunniteltava jokainen sijainti alusta. He etsivät turnkey-ratkaisua haasteeseen, joka koskee 1 000 sijainnin sijoittamista yhden sijaan."

Kiinteän aseman muuntajat voivat auttaa täyttämään nämä tarpeet, Vlatkovic sanoi. "Yhdestä monimutkaisesta asennuksesta ja useista yrityksistä yhden yrityksen hoitamiseen kaikkea."

Lisää toimintoja pienempiin paketteihin

Graham Eatonista sanoi, että "korkean energiatehokkuuden" paketointi voi myös säästää arvokasta tilaa tiiviissä ympäristöissä, kuten tietokeskuksissa ja EV-latauspisteissä. Kiinteän aseman muuntajat voidaan massatuoteta tehtaissa, mikä vähentää sähkötyöläisten kustannuksia ja aikaa rakennustyömailla. "Olet tuonut sen takaisin kontrolloituun valmistusympäristöön," Graham sanoi.

Lisäksi, kun on vain yksi laite, joka voi suorittaa useita tehtäviä, insinöörimääräiset vaatimukset yksinkertaistuvat, Dikeman sanoi.

"Jos suunnittelet monimutkaista järjestelmää valmiilla komponenteilla, eri laitteiden soveltamattomuus ei täysin täytä järjestelmän vaatimuksia. Tämä lisää kustannuksia ja vähentää tehokkuutta," hän sanoi. "Voit ratkaista tämän ongelman mukautetuilla tuotteilla – mutta se on kalliimpaa ja riskialtis. Kun käsittelet aurinkoa, energiansäilytystä ja tietokeskuksia, ja ihmiset, jotka tarvitsevat nopeasti toimivan, luotettavan ja edullisen ratkaisun, kaikki tämä hajoaa."

Joaquin Aguerre, yrityksen strategisen portfolion kehityksen johtaja, sanoi, että kaikki nämä potentiaaliset edut ovat saaneet mikroverkkokehittäjän PowerSecuren käynnistämään vähintään kahden kiinteän aseman muuntajitekniikan pilottiprojektin, mukaan lukien testit yhteistyössä DG Matrixin kanssa. "Yritämme olla tämän tekniikan eturintamalla."

PowerSecure on suunnitellut ja asennut yli 2,4 gigawatin mikroverkkokapasiteettia asiakkaille, jotka ulottuvat suurista vähittäismyyjistä ja sairaaloista sähköyhtiöihin ja tietokeskuksiin. Yritys keskittyy erityisesti kiinteän aseman muuntajiin, joiden avulla voidaan integroida energiatehokkaita "hybridi-mikroverkkoja", jotka yhdistävät "aurinkoa, energiansäilytystä, maakaasugeneraattoreita, polttoaineelle, EV-latausta – mitä vain voi kuvitella," Aguerre sanoi.

"Oikea markkinaluova on alkanut nousta esiin," hän sanoi. Samalla "useimmat näistä yrityksistä ovat vielä varhaisessa vaiheessa.... Seuraava looginen askel on toteuttaa asianmukaisia pilottiprojekteja, joissa havaitaan todellisia asiakkaan käyttötapaustoja pienemmässä mittakaavassa" ja testataan teknologioiden kestävyyttä ja luotettavuutta.

Loppujen lopuksi, riippumatta siitä, mitä haittoja perinteisillä muuntajeilla on verrattuna uuden sukupolven sähkötekniikkaan, "ne eivät epäonnistu usein," Aguerre huomautti. "Kaikki odottavat samanlaista luotettavuutta mistä tahansa kiinteän aseman muuntajasta, jota he tarkastelevat."